Forschung & Entwicklung

Lichtaktivierbare Proteine gezielt herstellen

Bislang musste bei der Entwicklung optogenetischer Werkzeuge viel nach dem Versuch-und-Irrtum-Prozess vorgegangen werden. Eine neue Strategie für das Design lichtsensitiver Proteine ermöglicht nun eine gezieltere Herangehensweise.

Ein Forscherteam um Klaus Gerwert und Stefan Herlitze von der Ruhr-Universität Bochum (RUB) hat eine Hybridstrategie zum gezielten Protein-Engineering von Melanopsin und anderen optogenetischen Werkzeugen entwickelt. Die Wissenschaftler kombinierten computergestützte Berechnungsverfahren mit elektrophysiologischen Messungen.

Ein Beispiel für ein optogenetisches Werkzeug ist das Protein Melanopsin. Es lässt sich durch zwei unterschiedlich farbige Lichtsignale an- und ausschalten. „Häufig wird mehr als nur ein optogenetisches Werkzeug benötigt, etwa wenn zwei verschiedene Prozesse in einer Zelle unabhängig voneinander gesteuert werden sollen“, erklärt Raziye Karapinar vom Lehrstuhl für Allgemeine Zoologie und Neurobiologie der RUB. „Daher müssen wir gewährleisten, dass sich die Farbsignale für die zwei Werkzeuge nicht überlagern“, ergänzt der Bochumer Biophysiker Dr. Till Rudack.

Mit quantenchemischen Computersimulationen berechneten die Wissenschaftler die spezifische Lichtfarbe, die für die Aktivierung eines Proteins notwendig ist. So konnten sie auch bestimmen, wie einzelne Proteinbausteine oder der Austausch einzelner Proteinbausteine die Lichtfarbe beeinflussen. Die Computersimulation erzeugte eine Liste von Proteinvarianten, die als optogenetische Werkzeuge infrage kommen. Die vielversprechenden Kandidaten überprüften die Forscher anschließend mit elektrophysiologischen Messungen auf ihr optogenetisches Potenzial. Dies beinhaltet die Lichtsensitivität, also wie viel Licht benötigt wird, um das Protein an- oder auszuschalten, sowie die Geschwindigkeit und Selektivität, mit der Mechanismen nach Betätigen des Schalters ausgeführt oder beendet werden. Ein gutes optogenetisches Werkzeug kann mit geringer Lichtintensität möglichst schnell geschaltet werden.

Anhand des gut untersuchten optogenetischen Werkzeugs Channelrhodpsin-2 validierte das Team die neue Hybridstrategie. Für das Protein hatten die Wissenschaftler mit dem Computer simuliert, wie sich der Austausch von Proteinbausteinen auf die aktivierende Lichtfarbe auswirken würde. Die Vorhersagen deckten sich mit den experimentell gemessenen Werten. „Diese Übereinstimmung zeigt, wie zuverlässig unsere Strategie ist, und erlaubt die Anwendung auch für Proteine, über die nur wenig bekannt ist, wie Melanopsin “, sagt Biophysiker Dr. Stefan Tennigkeit.

Mit der entwickelten Strategie tauschte die Gruppe gezielt Proteinbausteine in Melanopsin aus und manipulierte so die Lichtfarbe zur Aktivierung des Moleküls, ohne die Proteinfunktion zu beeinträchtigen. Die Lichtfarbe, bei der die normale Version des Melanopsins aktiviert wird, überlappt mit der von vielen anderen optogenetischen Werkzeugen, sodass diese nicht kombiniert werden können. „Ich bin überzeugt, dass diese neue Melanopsin-Variante zukünftig mit anderen optogenetischen Werkzeugen kombiniert werden kann, um komplexe zelluläre Prozesse zu steuern“, sagt Stefan Herlitze.

Gegenüber klassischen Verfahren des Protein-Engineerings wie Versuch-und-Irrtum lässt sich durch die neue Methode aufgrund automatischer computergestützter Vorhersagen, die sich parallel auf mehreren Computerclustern zeitgleich berechnen lassen, eine enorme Zeitersparnis erzielen.

von mn

Originalveröffentlichung:

[S. A. Tennigkeit et al., Design of an ultrafast G protein switch based on a mouse melanopsin variant, ChemBioChem (2019), DOI: 10.1002/cbic.201900110]

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